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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANSFERENCIA DE CALOR
HORNOS
PDVSA N°
MDP–05–F–06
0
DIC.95
REV.
FECHA
APROB.
E1994
TITULO
GENERADORES DE GAS INERTE
8
DESCRIPCION
FECHA
PAG. REV.
APROB.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
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INTERCAMBIADORES DE CALOR
HORNOS
GENERADORES DE GAS INERTE
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Descripción del gas inerte deseado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consideraciones del agua de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tipos de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consideraciones del combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Servicios y opciones propias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
5
5
6
6 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Tabla 1.
Figura 1
Lista de comprobación de las especificaciones
del generador de gas inerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Generador típico de gas inerte y equipo
para tratamiento posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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OBJETIVO
Este documento provee información técnica y lineamientos para preparar las
especificaciones de generadores de gas inerte. Esta información cubre criterios
de diseño que sean propietarios de PDVSA y sus filiales.
El tema “Hornos”, dentro del area de “Transferencia de Calor”, en el Manual de
Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos:
PDVSA–MDP–
Descripción de Documento
05–F–01
Hornos: Principios Básicos.
05–F–02
Hornos: Consideraciones de diseño.
05–F–03
Hornos: Quemadores.
05–F–04
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
05–F–05
05–F–06
Hornos: Precalentadores de aire.
Hornos: Generadores de gas inerte (Este
documento).
05–F–07
Hornos:Incineradores.
Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Hornos”, dentro del
Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la
Práctica de Diseño “HORNOS”, presentada en la versión de Junio de 1986 del
MDP (Sección 8).
2
ALCANCE
Esto está restringido a unidades paquetes completas, las cuales pueden ser
probadas en la fábrica antes de su envío. Estas unidades están generalmente
limitadas hasta 0.8 m3/s (100000 pie3/h en condiciones estándar) en cuanto a
capacidad. Las especificaciones para unidades más grandes, unidades
construidas en sitio o unidades de subconjuntos combinadas, las cuales no
pueden ser verificadas antes de la entrega, deben ser desarrolladas de una
tecnología individual como cualquier otra unidad de proceso.
3
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación”
S Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas”
Manual de Ingeniería de Riesgo
S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de
despresurizacion y venteo de equipos y plantas”
emergencia,
bloqueo,
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ANTECEDENTES
Los generadores de gas inerte no son especificados frecuentemente, y hay un
incentivo económico fuerte para comprar las unidades estándar del vendedor. Por
lo tanto, este tipo de equipo debe ser procurado vía especificaciones de
requerimiento y no especificaciones de diseño. Para asegurar que el equipo posea
una calidad aceptable, normalmente se especifican dos requisitos de seguridad:
– El equipo debe ser comprado a vendedores que demuestren que unidades
similares han operado satisfactoriamente.
– Se requiere una prueba completa en fábrica de la unidad específica que se
desea comprar. Los generadores de gas inerte tipo combustión (Ver Figura
1.) producen una mezcla de gases inertes que contiene principalmente,
nitrógeno y dióxido de carbono, con menos de 50 dm3/m3 (5% en volumen)
de oxígeno e hidrocarburos no quemados; quemando un gas o un líquido
combustible limpio y liviano o relaciones estequiométricas de aceite
combustible/aire relativamente cerca.
Dependiendo de la calidad del gas requerido, estos productos de combustión
relativamente inertes pueden ser usados en la forma que son producidos, o
pueden ser comprimidos, secados y tratados en equipos auxiliares para alcanzar
la calidad del gas deseado. Naturalmente, mientras mayor sea el tratamiento,
mayor serán los costos de inversión y operación. La siguiente tabla describe las
calidades del gas típico sin y con tratamiento.
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Tipo de Combustible
Líquido (kerosén)
Gas (promedio)
Gas (alta calidad)
Contenido Mínimo de O2 (dm3/m3)
en el efluente
10 (1% en volumen)
2 a 5 (0.2 a 0.5% en volumen)
1 a 2 (0.1 a 0.2% en volumen)
Las unidades paquetes incluyen todos los controles, combustores, compresores,
filtros, secadores y facilidades de tratamiento auxiliar. Estas unidades pueden ser
probadas en fábrica y pre–ajustadas para las condiciones operacionales
deseadas. La Tabla 1 es una lista de comprobación de los puntos normalmente
especificados por el diseñador.
5
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
5.1
Descripción del gas inerte deseado
La cantidad del gas inerte requerido debe ser establecida en unidades
volumétricas en base húmeda (saturado) o seca. Una alternativa disponible es
especificar dos o más unidades pequeñas que puedan ser usadas al mismo
tiempo para proveer el volumen de gas total requerido. Este arreglo brinda un
grado necesario de confiabilidad y asegura la capacidad parcial durante el
mantenimiento de una de las unidades.
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La calidad del gas inerte requerido debe ser claramente especificado, como se
detalla en la Tabla 1. No es necesario especificar la composición del gas inerte a
una relación estequiométrica única; solamente se deben especificar los límites
permisibles por cada elemento. El vendedor determina cuales puntos establecen
las restricciones para sus equipos.
5.2
Consideraciones del agua de enfriamiento
Se requiere agua de enfriamiento para enfriar la cámara de combustión y el gas
efluente del combustor. El diseño de la camisa de enfriamiento del combustor
asume una transferencia de calor desde la superficie del metal hasta el agua,
limpia y con poca resistencia. Ensuciamiento del lado correspondiente al agua
puede causar distorsión y una falla eventual del combustor. Se puede conservar
agua de alta calidad por medio de un circuito cerrado de circulación de agua de
enfriamiento a través de un intercambiador auxiliar diseñado para ser enfriado con
agua de más baja calidad.
La concentración de oxígeno en el gas efluente del generador se ve afectada por
el tipo de enfriador de salida utilizado. Si se usa enfriamiento por contacto directo,
la concentración de oxígeno en el efluente del generador puede ser más alta que
en el efluente del combustor, debido a que el gas toma oxígeno del agua de
enfriamiento. Si se utiliza agua desaireada, el incremento puede ser tan bajo como
50 a 100 mg/kg (50 a 100 ppm). Sin embargo, si se usa agua de enfriamiento de
la torre o un tipo de agua similar a ésta, el incremento puede ser tan alto como 600
mg/kg (600 ppm).
Se debe usar material de construcción especial resistente a la corrosión para
porciones de gas inerte del generador que está expuesto al gas de combustión a
temperaturas por debajo de su punto de rocío. Los materiales adecuados son del
tipo 316 acero al carbón y revestidos con plástico o goma. El enfriamiento directo
disminuye las tasas de corrosión, ya que el agua de enfriamiento tiende a depurar
los materiales corrosivos. En algunas unidades se pueden hacer ajustes de pH en
la corriente directa del agua. Si se utiliza un combustor revestido con aislamiento
en vez de un combustor con camisa de enfriamiento, las temperaturas promedio
de la cámara deben mantenerse por debajo de 1480°C (2700°F) para minimizar
la formación de óxidos de nitrógeno, los cuales aumentarán la corrosividad del gas
inerte.
5.3
Tipos de servicio
El tipo de servicio establece el tipo de control requerido. Generalmente las
unidades son requeridas para servicios continuos o intermitentes, dependiendo de
su función en el esquema del proceso.
El servicio continuo se aplica donde la demanda puede ser constante o puede
fluctuar sobre un rango amplio, pero por lo menos se debe requerir un servicio
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mínimo continuo para períodos largos de tiempo, tales como semanas o meses.
El servicio intermitente es cualquier demanda limitada a períodos relativamente
poco frecuentes, tales como horas y días, durante el mantenimiento de la unidad,
fuera de servicio, perturbaciones, etc., y donde habrá cero demanda durante estos
períodos. Para las situaciones que claramente no caen entre estas dos categorías,
el diseñador determinará la economía de ventear el gas inerte para estos períodos
intermedios en función de un sistema de control más costoso y controles
específicos en conformidad.
En los servicios intermitentes, la relación aire/combustible se ajusta manualmente
para producir un flujo constante de gas inerte. La composición del gas se controla
automáticamente a este flujo. Para compensar por demandas de gas más bajas
que el diseño, el gas inerte debe ser venteado. Para cambios mayores o
prolongados en la calidad del gas o en el flujo, reajustes manuales de los puntos
de ajuste del combustible y del aire se hacen necesarios.
Para servicios continuos, los generadores son capaces de proveer gas inerte a
una composición específica a un rango de producción de 100 a 25% del flujo
máximo especificado. Esto requiere que el quemador sea capaz de dar
combustión estable, que el ventilador y los reguladores suministren condiciones
estables de flujo, y que el esquema de control proporcione repuestas adecuadas
y estabilidad a través del rango de operación. Si los requerimientos de capacidad
difieren significativamente de este rango típico, la especificación debe incluir el
rango deseado y las opciones de control.
5.4
Sistemas de control
La experiencia previa ha mostrado que los sistemas de control típicos,
analizadores, instrumentos y sistemas de seguridad tienen una alta probabilidad
de ser difíciles durante el arranque. Algunas veces ellos son ineficaces. Por lo
tanto, se requiere una prueba en fábrica para verificar su operabilidad. Esta prueba
debe incluir la información de cualquier equipo compresor y los controles que
están siendo suministrados, además del sistema de control de combustión.
5.5
Consideraciones del combustible
La especificación del gas combustible debe incluir la composición del gas según
el diseño y las variaciones esperadas de esta composición. Se debe evitar el uso
de gas de refinería, el cual está sujeto a cambios en la composición, debido que
el gas inerte resultante, fuera de especificación, requiere un tratamiento costoso
después de la combustión a fin de mantener la calidad del gas inerte. Si se dispone
de dos gases diferentes, pero constantes en composición, se pueden requerir
reguladores con doble control. Para unidades de contacto directo al enfriamiento,
el azufre en el combustible debe ser menor de 5 mg/kg (5 ppm).
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Se requieren trazas con vapor y precalentamiento del combustible para evitar
condensación del gas combustible. El condensado, aun en pequeños porcentajes,
puede formar hollín en el combustor.
Los combustibles líquidos deben ser limitados a kerosén. Otros combustibles,
tales como nafta, no han sido demostrados y requerirán investigaciones en
cooperación con los vendedores.
5.6
Servicios y opciones propias
Se debe incluir los detalles de la especificación típica del diseño para el suministro
de electricidad y el Código de Area Eléctrica, disponibilidad de vapor
(especialmente si el compresor es un turbocompresor) y disponibilidad de aire de
instrumentos.
Las opciones propias son algunas veces requeridas en adición a la unidad del
paquete básico. Con el fin de integrar estas unidades paquetes en una planta de
operación, se requieren ciertos controles remotos, alarmas e instrumentos
automáticos, además de los controles estándar del vendedor. Se deben
suministrar los detalles de estos requerimientos especiales.
6
APENDICE
Tabla 1.
Figura 1
Lista de comprobación de las especificaciones del generador de
gas inerte
Generador típico de gas inerte y equipo para tratamiento posterior
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TABLA 1. LISTA DE COMPROBACION DE LAS ESPECIFICACIONES DEL
GENERADOR DE GAS INERTE
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En unidades SI
1. Cantidad del gas inerte requerido
En unidades
inglesas
dm3/s Std (en
base saturada o
seco)
– Número o tamaño de las unidades deseadas
2. Calidad del gas inerte deseado
– Concentraciones máximas permisibles de O2 o
H2, CO, hidrocarburos
– Si se desea, especifique concentraciones
de N2 o CO2 requerido (máximo, mínimo o
rango).
– Presión
– Temperatura
– Punto de rocío
dm3/m3
% en vol
kPa (man.)
psig
°C
°F
°C
°F
kPa (man.), °C
psig, °F
3. Agua de enfriamiento
– El agua de enfriamiento del combustor debe
ser de la misma calidad del agua de alimentación a calderas.
– Temperatura y presión
4. Tipo de servicio
– Continuo o intermitente
5. Especificaciones del combustible
– Incluir todas las variaciones posibles en la composición del gas combustible
– Indicar la frecuencia esperada de estas varia-
ciones.
6. Servicios
– Suministro de electricidad (voltaje, Número de
fases, Hz) y Código de Area Eléctrica
– Presión y temperatura del vapor
– Aire de instrumentos
7. Otras opciones
– Operación remota
– Grado de automaticidad contra manual
– Ubicación interna y externa
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Fig 1. GENERADOR TIPICO DE GAS INERTE Y EQUIPO PARA TRATAMIENTO
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